Konventioneller Gyro
Den herkömmlichen Kreisel oder Freikreisel gibt es seit den 1930er Jahren. Es erhält den Azimut des Bohrlochs von einem rotierenden Kreisel. Es bestimmt nur die Richtung des Bohrlochs und nicht die Neigung. Der Neigungswinkel wird üblicherweise mit Beschleunigungsmessern ermittelt. Der film-basierte Einzelschusskreisel- verwendet ein Pendel, das über einer Kompasskarte (an der äußeren Kardanachse befestigt) aufgehängt ist, um die Neigung zu ermitteln. Ein herkömmlicher Kreisel hat eine rotierende Masse, die sich normalerweise mit 20.000 bis 40.000 U/min dreht (manche drehen sich sogar noch schneller). Der Kreisel bleibt fixiert, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken und die Masse genau in ihrem Schwerpunkt gehalten wird. Leider ist es nicht möglich, die Masse genau in ihrem Schwerpunkt zu halten, und es wirken äußere Kräfte auf den Kreisel. Daher wird der Kreisel mit der Zeit driften.
Wenn sich ein Kreisel zu drehen beginnt und in eine bestimmte Richtung zeigt, sollte er theoretisch im Laufe der Zeit seine Richtung nicht wesentlich ändern. Daher wird er im Loch geführt, und selbst wenn sich das Gehäuse dreht, kann sich der Kreisel frei bewegen und bleibt in die gleiche Richtung zeigen. Da die Richtung, in die der Kreisel zeigt, bekannt ist, kann die Richtung des Bohrlochs durch den Unterschied zwischen der Ausrichtung des Kreisels und der Ausrichtung des Gehäuses, in dem sich der Kreisel befindet, bestimmt werden. Die Ausrichtung der Drehachse muss bekannt sein, bevor der Kreisel in das Loch gefahren wird. Dies wird als Referenzieren des Kreisels bezeichnet. Wenn der Kreisel nicht richtig referenziert ist, ist die gesamte Vermessung unterbrochen. Daher muss das Werkzeug entsprechend referenziert werden, bevor es in das Bohrloch für Öl- und Gasbohrungen eingesetzt wird.
Ein weiterer Nachteil eines herkömmlichen Kreisels besteht darin, dass er mit der Zeit driftet, was zu Fehlern im gemessenen Azimut führt. Der Kreisel driftet aufgrund von Systemstößen, Lagerverschleiß und der Erdrotation. Der Kreisel kann aufgrund von Unvollkommenheiten im Kreisel auch driften. Die Defekte können während der Herstellung oder Bearbeitung des Kreisels entstehen, da der exakte Schwerpunkt der Masse nicht im Zentrum der Drehachse liegt. Am Erdäquator ist die Drift geringer und in höheren Breiten in der Nähe der Pole höher. Im Allgemeinen werden herkömmliche Kreisel nicht bei Breitengraden oder Neigungen über 70 Grad verwendet. Eine typische Driftrate für einen herkömmlichen Kreisel beträgt 0,5 Grad pro Minute. Die durch die Erdrotation verursachte scheinbare Drift wird durch die Anwendung einer speziellen Kraft auf den inneren Kardanring korrigiert. Die ausgeübte Kraft hängt vom Breitengrad ab, in dem der Kreisel verwendet wird.
Aus diesen Gründen driften alle herkömmlichen Kreisel um bestimmte Werte. Die Drift wird immer dann überwacht, wenn ein herkömmlicher Kreisel läuft, und die Vermessung wird an diese Drift angepasst. Wenn die Referenz oder die Drift nicht ausreichend kompensiert wird, sind die erfassten Vermessungsdaten falsch.
Rate Integration oder Nord-Suchendes Gyro
Um die Nachteile des herkömmlichen Kreisels zu vermeiden, wurde ein nach Norden suchender Kreisel entwickelt. Ein Wendekreisel und ein Nord-Suchkreisel sind im Wesentlichen dasselbe. Es handelt sich um einen Kreisel mit nur einem Freiheitsgrad. Der ratenintegrierende Kreisel wird zur Bestimmung des wahren Nordens verwendet. Der Kreisel zerlegt den Spinvektor der Erde in horizontale und vertikale Komponenten. Die horizontale Komponente zeigt immer auf den wahren Norden. Die Notwendigkeit, den Kreisel zu referenzieren, entfällt, was die Genauigkeit erhöht. Der Breitengrad des Bohrlochs muss bekannt sein, da sich der Spinvektor der Erde je nach Breitengrad ändert.
Während der Einrichtung misst der Wendekreisel automatisch die Drehung der Erde, um die durch die Erdrotation verursachte Drift zu eliminieren. Dieses Konstruktionsmerkmal macht es im Vergleich zu einem herkömmlichen Kreisel weniger wahrscheinlich, dass es zu Fehlern kommt. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kreisel muss beim Wendekreisel kein Referenzpunkt anvisiert werden, wodurch eine potenzielle Fehlerquelle eliminiert wird. Die auf den Kreisel wirkenden Kräfte werden von ihm gemessen, während die Schwerkraft von den Beschleunigungsmessern gemessen wird. Die kombinierten Messwerte der Beschleunigungsmesser und des Kreisels ermöglichen die Berechnung der Neigung und des Azimuts des Bohrlochs.
Ein Wendekreisel misst die Winkelgeschwindigkeit durch eine Winkelverschiebung. Der ratenintegrierende Kreisel berechnet das Integral der Winkelgeschwindigkeit (Winkelverschiebung) über eine Ausgangswinkelverschiebung.
Neuere Versionen des Kreisels können während der Bewegung überwacht werden, es bestehen jedoch Einschränkungen. Sie müssen nicht stationär bleiben, um eine Umfrage zu erhalten. Die Gesamtzeit der Umfrage kann verkürzt werden, wodurch das Tool kostengünstiger-effektiver wird.
Ringlaserkreisel
Der Ringlaserkreisel (RLG) verwendet einen anderen Kreiseltyp, um die Richtung des Bohrlochs zu bestimmen. Der Sensor besteht aus drei-Ringlaserkreiseln und drei Trägheitsbeschleunigungsmessern, die zur Messung der X-, Y- und Z-Achse montiert sind. Es ist genauer als ein kurs- oder nord-suchender Kreisel. Das Umfragetool muss für die Durchführung einer Umfrage nicht angehalten werden, sodass Umfragen schneller ablaufen. Der Außendurchmesser des Ringlaserkreisels beträgt jedoch 5 1/4 Zoll, was bedeutet, dass dieser Kreisel nur in einem 7-Zoll-Gehäuse und größer betrieben werden kann (siehe unsere Anleitung zum Gehäusedesign). Es kann nicht durch einen Bohrstrang geführt werden, wohingegen ein Geschwindigkeits- oder Nord{11}}Suchkreisel durch einen Bohrstrang oder Rohrstränge mit kleinerem Durchmesser geführt werden kann.
Komponenten
In seiner einfachsten Form besteht der Ringlaserkreisel aus einem dreieckigen Glasblock, der für drei Helium-Neonlaserbohrungen mit Spiegeln an den 120-Grad-Punkten – den Ecken3 – ausgebohrt ist. Gegenläufig-rotierende Laserstrahlen – einer im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn – existieren in diesem Resonator nebeneinander. Irgendwann überwacht ein Fotosensor die Strahlen dort, wo sie sich kreuzen. Abhängig von der genauen Phase jedes Strahls interferieren sie konstruktiv oder destruktiv miteinander.
Wenn das RLG bezüglich seiner Mittelachse stationär ist (nicht rotiert), ist die relative Phase der beiden Strahlen konstant und die Detektorausgabe konsistent. Wenn das RLG um seine Mittelachse gedreht wird, erfahren die Strahlen im und gegen den Uhrzeigersinn entgegengesetzte Dopplerverschiebungen; Bei dem einen wird die Frequenz zunehmen, beim anderen wird die Frequenz abnehmen. Der Detektor erfasst die Differenzfrequenz, aus der die genaue Winkelposition und -geschwindigkeit bestimmt werden kann. Dies ist als Sagnac-Effekt bekannt.
Gemessen wird das Integral der Winkelgeschwindigkeit bzw. des Drehwinkels seit Beginn der Zählung. Die Winkelgeschwindigkeit ist die Ableitung der Schwebungsfrequenz. Zur Ableitung der Drehrichtung kann ein Dual-(Quadratur-)Detektor verwendet werden.
Trägheitskreisel
Das genaueste Vermessungsinstrument im Öl- und Gasfeld ist der Trägheitskreisel, oft auch Ferranti-Werkzeug genannt. Es handelt sich um das gesamte Navigationssystem, wie es aus der Luft- und Raumfahrttechnik übernommen wurde. Aufgrund der höchsten Genauigkeit dieses Kreisels werden die meisten Vermessungswerkzeuge damit verglichen, um ihre jeweilige Genauigkeit zu ermitteln. Das Gerät verwendet drei Geschwindigkeitskreisel und drei Beschleunigungsmesser, die auf einer stabilisierten Plattform montiert sind.
Das System misst die Richtungsänderung der Plattform (Plattformgeräte) und die zurückgelegte Strecke. Es misst nicht nur die Neigung und Richtung des Brunnens, sondern bestimmt auch die Tiefe. Die Wireline-Tiefe wird nicht verwendet. Es hat jedoch eine noch größere Abmessung von 10⅝ Zoll Außendurchmesser. Daher kann es nur in Gehäusegrößen von 13 3/8″ und größer betrieben werden.
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